新建铁路甘库线风积砂的地质特征

王 龙

(铁三院锦州铁道勘察设计院有限公司,辽宁锦州 121000)

1 工程概况

新建铁路甘库线位于内蒙古通辽市境内的科左后旗西南部地区和库伦旗东南部地区,起点为科左后旗政府所在地甘旗卡镇,终点为库伦旗政府所在地库伦镇,线路全长61.193km。其中起点至养畜牧河间线路穿越中国四大沙地之首的科尔沁沙地,经过沙地总长为49.728km,占线路全长的81.27%,主要地貌形式为固定沙丘、半固定沙丘,局部夹有流动沙丘。因此,对风积砂的工程地质勘察为全线地质勘察的重点,并可为今后同类工程的勘察积累宝贵的基础资料。

2 风积砂的物质组成

2.1 风积砂的矿物成分

一般风积砂的主要矿物成分为不易磨碎的矿物,如石英、晧石、石榴石、蓝晶石矽线石、赤铁矿等,而方解石、石膏、普通角闪石、辉石、长石、绿帘石等易磨碎的矿物含量较少;原地风积砂重矿物含量较多,异地风积砂重矿物含量相对较少。本地区风积砂形成的主要原因为外部地区的松散碎屑物经风搬运和堆积所导致。经试验证实本地区风积砂的主要矿物为石英、长石及云母等轻矿物,约占全部矿物成分90%以上;重矿物含量较少,但种类较多,其中又以角闪石、绿帘石为主,约占重矿物成分的70%以上。砂粒的形态为浑圆状,为单质矿物颗粒。其颗粒大小与矿物成分有关,粒径大于0.25mm的几乎全为石英矿物,粒径为0.075～0.25mm的以长石、云母为主,石英矿物含量较少。

2.2 风积砂的化学成分

风积砂的化学成分主要为二氧化硅(SiO2),其次为氧化钙(CaO)、三氧化二铝(Al2O3)、三氧化二铁(Fe2O3)。其中二氧化硅(SiO2)含量大于80%,最高可达90%;氧化钙(CaO)含量约为5%～10%;三氧化二铝(Al2O3)含量约为2%～5%;三氧化二铁(Fe2O3)含量约为1%～3%,易溶盐含量为0.06%～0.25%,几乎不含有黏土矿物。

2.3 风积砂的颗粒级配情况

依据《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB1002.5—2005),本地区风积砂为细砂,其颗粒成分主要以细砂粒为主(0.075mm＜d≤0.25mm),其次为中砂粒(0.25mm ＜d≤0.5mm),粉粒(0.005mm ＜d≤0.075mm)及粗砂粒(0.50mm ＜d≤2.00mm)含量较少(见表1)。风积砂的不均匀系数Cu为1.97～3.01,曲率系数 Cc为0.97～1.01,属于级配不良(见表2)。

表1 风积砂的粒径组成

表2 风积砂的不均匀系数及曲率系数

3 风积砂的物理力学性质指标

3.1 物理性质

风积砂的基本物理性质为天然含水量w=1.4%～3.1%,天然密度 ρ=1.59～1.70g/cm3,比重 Gs=2.52～2.70(见表3);经过计算求得的基本物理性质指标为干密度 ρd=1.56～1.68g/cm3,孔隙比e=0.54～0.73,孔隙率 n=35.06～42.20%,饱和度 Sr=6.77～14.37%(见表4)。

表3 试验所得的风积砂基本物理性质指标统计

表4 经过计算求得的基本物理性质指标统计

由砂土的渗透系数与有效粒径的经验关系公式

式中:k为渗透系数;d10为有效粒径 =0.083～0.088 mm;t为渗透水温度 =15℃;C为常数,纯砂取700,可以求得该地区风积砂的渗透系数 k=5.546～6.234 m/d=6.419 ×10-3～7.215 ×10-3cm/s;与其他地质成因细砂的k值比较,数值较高。

依据标准贯入N63.5原位测试试验,该地区风积砂平均埋深0.0～2.0m为松散,平均埋深2.0～4.0m为稍密,平均埋深4.0～6.5m为中密,平均埋深6.5m以下为密实;且风积砂的密实程度与其含水量的大小没有密切关系。

3.2 力学性质

风积砂的黏聚力c(kPa)值与黏性土相比极小,在其他成因的砂类土中相对也低,而内摩擦角 φ(°)则相反。据试验结果风积砂的黏聚力c=0～9kPa,理论值为0,内摩擦角 φ=32°～39.3°。这主要是由于风积砂中几乎不含有粉粒、黏粒,且颗粒磨圆度较高使之颗粒间咬合剪胀的效果较差所导致。

风积砂的压缩系数比较小,据试验结果在0.01～0.04MPa-1之间,属于低压缩材料。风积砂的压缩性与矿物成分、颗粒外观形状及其松散的结构有关,风积砂的矿物成分主要为石英、长石,颗粒磨圆度较高,几乎不含有黏土矿物,风积砂在常压下变形速度很快,切压实后弹性变形很小。因此,风积砂作为路基比较容易压实,并且压实后路基的变形量也比较小。

风积砂的基本承载力随埋深、密实程度和潮湿程度的不同而发生变化,依据原位测试试验,风积砂的基本承载力与埋深、密实程度呈正向关系。依据《铁路工程地质勘察规范》,相同密实状态下饱和细砂的基本承载力低于稍湿或潮湿状态下的细砂基本承载力(见表5)。

表5 风积砂的基本承载力 kPa

4 结论

通过上面的分析,可知风积砂的工程地质特征:矿物成分单一,主要以不易磨碎的轻矿物为主,不同成因的风积砂轻重矿物含量差别较大,磨圆度高,不含黏土矿物;级配不良,含有大孔隙比,透水性强,抗剪强度低,虽存在一定的黏聚力,但理论黏聚力为0。内摩擦角较大,压缩系数小,容易压实,弹性变形小,其基本承载力与埋深、密实程度呈正向关系。

[1]常士骠,张苏民,等.工程地质手册(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

[2]TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范[S]

[3]TB10018—2003 铁路工程地质原位测试规程[S]

[4]TB10027—2001 铁路工程不良地质勘察规程[S]

[5]TB10102—2004 铁路工程土工试验规程[S]